壓力容器設(shè)計(jì)過程中的常見問題及防范對(duì)策

管星星 馮斐斐

中國化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司 浙江 寧波 315000

隨著國際化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢不斷深入，世界各國的工業(yè)競爭愈發(fā)激烈，工業(yè)水平作為衡量國家綜合實(shí)力的重要指標(biāo)，我國也在工業(yè)建設(shè)方面苦下功夫。其中壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要組成部分，其身影隨處可見，隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展和深入，其在工業(yè)領(lǐng)域中也扮演著越來越重要的角色。但是壓力容器的危險(xiǎn)性無需多言，直接與工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)以及人們的人身安全密切相關(guān)，因此必須進(jìn)一步優(yōu)化壓力容器設(shè)計(jì)工作。高質(zhì)量的設(shè)計(jì)是壓力容器質(zhì)量的重要保障，也是規(guī)避重大損失發(fā)生的核心“利器”。

1 關(guān)于壓力容器的基本概述和特征

1.1 概念

壓力容器即用作盛裝氣體或液體同時(shí)具備一定壓力承載能力的密閉容器。我國《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中，根據(jù)生產(chǎn)作用、介質(zhì)的危害毒性程度、工作壓力等對(duì)其進(jìn)行了分類，結(jié)合壓力容器的具體類別，其在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等方面也有著對(duì)應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 特征

對(duì)比普通機(jī)械產(chǎn)品，壓力容器在設(shè)計(jì)方面有其自身獨(dú)特特征，產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)水平要求更高。一般情況下，壓力容器的設(shè)計(jì)人員不僅需要對(duì)容器設(shè)備相關(guān)知識(shí)有非常全面的了解，還要具備熟練的計(jì)算機(jī)技術(shù)能力，兩者缺一不可。這是在設(shè)計(jì)壓力容器的過程中表現(xiàn)的得心應(yīng)手，游刃有余的關(guān)鍵素養(yǎng)，也是順利設(shè)計(jì)出符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)壓力容器的基本能力。壓力容器的適用范圍相當(dāng)廣泛，屬于多樣性制造工藝的必然產(chǎn)物，是化工、煉油、輕工、制藥、冶金、紡織、海洋工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域所必須的關(guān)鍵設(shè)備，因此壓力容器的產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)參數(shù)具有多樣性和廣泛性，這也是壓力容器制造工藝多樣性的直接原因[1]。對(duì)于壓力容器的設(shè)計(jì)制造工作而言，其綜合程度較高。不僅包括機(jī)械加工、焊接、熱處理等專業(yè)，還需要腐蝕防護(hù)、無損檢測、防水防火等安全防護(hù)知識(shí)，因此開展壓力容器設(shè)計(jì)工作，涉及到的學(xué)科非常廣泛，因此高質(zhì)量的完成壓力容器設(shè)計(jì)制造工作需要多種學(xué)科專業(yè)的相互配合、協(xié)調(diào)，才能夠順利完成。

2 壓力容器設(shè)計(jì)

2.1 壓力容器設(shè)計(jì)要求

工業(yè)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性無需多言，設(shè)備工藝生產(chǎn)過程中無論什么設(shè)備出現(xiàn)故障均會(huì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生影響，甚至一度中斷生產(chǎn)，嚴(yán)重的會(huì)對(duì)人身安全造成巨大威脅。因此壓力容器必須滿足下述幾點(diǎn)要求：

2.1.1 確保完成工藝生產(chǎn)

為確保工藝生產(chǎn)順利完成，工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求的壓力、溫度是壓力容器必須承擔(dān)的基礎(chǔ)指標(biāo)，同時(shí)還必須具備工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求的規(guī)格、結(jié)構(gòu)，其主要包括容器直徑、厚度、容積、密封、開孔接管等條件。

2.1.2 運(yùn)行安全可靠

很多工業(yè)生產(chǎn)物料都具有強(qiáng)腐蝕性、中、高毒性程度、易燃易爆等性質(zhì)，容易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸等惡性事故。所以壓力容器工作過程中內(nèi)部會(huì)存儲(chǔ)一定的能量，如果損壞，存儲(chǔ)在內(nèi)部的能量往往可以在非常短的時(shí)間完全釋放，摧毀力巨大，后果難以估計(jì)。因此，設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，必須堅(jiān)持安全性及可靠性原則，確保運(yùn)行安全可靠。

2.1.3 預(yù)定使用壽命

對(duì)壓力容器使用壽命產(chǎn)生影響的因素主要為化工物料對(duì)殼體結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，嚴(yán)重的會(huì)造成器壁厚度大大降低甚至直接爛穿，出現(xiàn)泄露現(xiàn)象！為此設(shè)計(jì)壓力容器的時(shí)候必須采取一定的措施提高其安全系數(shù)，尤其是做好附加腐蝕裕量的設(shè)計(jì)工作，從而保證壓力容器的使用壽命能夠滿足實(shí)際工藝需要。

2.1.4 制造、檢驗(yàn)、交裝、操作、維護(hù)便捷

設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，還需要考慮制造、檢查、交裝、操作、維護(hù)的便捷性。該要求的提出出于兩方面的考慮。首先立足于安全視角考慮，制造簡單、結(jié)構(gòu)簡單、容易察覺故障設(shè)備存在的缺陷和安全隱患，使其質(zhì)量保障工作更容易展開，并及時(shí)采取有效措施消除故障；其次，這也是為了高度契合一些特殊使用，方便操作或拆卸，例如某些壓力容器需要經(jīng)常裝卸頂蓋，那設(shè)計(jì)時(shí)就盡可能的選擇快拆密封結(jié)構(gòu)，盡量避開笨重復(fù)雜的主螺栓連接。

2.1.5 經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)

設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，還需要考慮成本因素，盡量選擇結(jié)構(gòu)簡單、制造便捷、質(zhì)量輕、貴重材料使用不多的工藝，在保障壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡可能的縮減設(shè)備制造成本，降低維修費(fèi)用。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

結(jié)合壓力容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)常見問題，積極找尋優(yōu)化設(shè)計(jì)舉措是關(guān)鍵。優(yōu)化設(shè)計(jì)作為數(shù)學(xué)規(guī)劃、計(jì)算機(jī)技術(shù)整合的產(chǎn)物，把設(shè)計(jì)變量用產(chǎn)品性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)指標(biāo)的函數(shù)來表示，即目標(biāo)函數(shù)。把產(chǎn)品確定的形態(tài)、幾何、運(yùn)動(dòng)等條件限制范圍變?yōu)榧s束條件，從而找尋目標(biāo)函數(shù)極限（最大或最?。┰O(shè)計(jì)變量組合的方法[2]。

3 壓力容器設(shè)計(jì)過程常見問題

3.1 使用年限設(shè)計(jì)中存在的問題

設(shè)計(jì)任何產(chǎn)品時(shí)都需要考慮其使用壽命，壓力容器也是如此。壓力容器有對(duì)應(yīng)的使用年限，如果超過了容器使用年限，那么容器往往會(huì)出現(xiàn)局部乃至整體老化的情況，特別是對(duì)安全要求嚴(yán)苛的壓力容器，如果超出使用年限后繼續(xù)使用，那么安全事故的發(fā)生率會(huì)大大提升。根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的相關(guān)內(nèi)容，明確了及時(shí)淘汰、更換超過使用年限產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定，但是在實(shí)際使用操作環(huán)節(jié)，企業(yè)人員單純的停留在知曉產(chǎn)品使用年限的層面，并沒有及時(shí)更換超過使用年限的設(shè)備，從而大大降低了壓力容器的安全性，造成很大的安全隱患。此時(shí)，在確定壓力容器使用年限時(shí)，都是在理想條件下，企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中影響壓力容器的因素較多，例如溫度、濕度、介質(zhì)等等，導(dǎo)致壓力容器的使用年限遠(yuǎn)不及理想使用壽命。

3.2 壓力容器設(shè)計(jì)忽略熱處理問題

根據(jù)鋼板熱處理規(guī)定中的相關(guān)要求，鋼板冷成形或者其他元件在受壓過程中均需要展開熱處理操作，例如，具備應(yīng)力腐蝕性介質(zhì)的容器；盛裝毒性為極度高度危害介質(zhì)的容器；成形前碳鋼和低合金鋼厚度大于16毫米，成形后碳鋼和低合金鋼厚度減薄量大于10%的情況等等。一旦冷成形變形率指標(biāo)符合規(guī)范要求，那么就需要在設(shè)計(jì)過程中給出恰當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞?，如果沒有給出對(duì)應(yīng)的熱處理舉措，那么材料的力學(xué)性能可能就無法恢復(fù)。設(shè)計(jì)者往往對(duì)壓力容器殼體、封頭等的熱處理較為關(guān)注，但是在設(shè)計(jì)接管時(shí)往往忽略了熱處理問題。

3.3 壓力容器設(shè)計(jì)材料方面的問題

材質(zhì)作為產(chǎn)品性能的直接影響因素，不同材質(zhì)的產(chǎn)品其對(duì)應(yīng)屬性也存在差異，壓力容器也不例外。開展壓力容器設(shè)計(jì)工作，對(duì)所選取材料的影響制約因素較多，例如運(yùn)行環(huán)境、客戶需求、操作人員、容器的外觀和大小等等。一般情況下，對(duì)比其它工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品，壓力容器運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，往往在高壓高溫或者低溫的環(huán)境中，一旦材料改變，會(huì)對(duì)其耐腐蝕性，內(nèi)外部受力情況，抗壓能力產(chǎn)生本質(zhì)的影響[3]。這就需要設(shè)計(jì)人員高度重視材料篩選工作。所以，設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，必須做好對(duì)不同種類材料的耐腐蝕性能檢測和受力分析工作等等。但是在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，往往存在這樣的問題，一旦用戶提出降低容器材料厚度的要求，那么設(shè)計(jì)者往往會(huì)結(jié)合對(duì)應(yīng)要求對(duì)壓力容器的受力情況進(jìn)行重新計(jì)算，對(duì)壓力容器的耐腐蝕性能重新分析，但是如果客戶提出增加容器材料厚度的要求時(shí)，大多數(shù)設(shè)計(jì)工作者認(rèn)為不需要重新計(jì)算分析，從而往往忽略了材料增厚的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致殼體器壁產(chǎn)生多向拉應(yīng)力，進(jìn)而容易產(chǎn)生脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)的情況，進(jìn)而影響整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.4 壓力容器氣密性試驗(yàn)方面的問題

工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜，生產(chǎn)過程中難免會(huì)出現(xiàn)腐蝕性、毒性等較強(qiáng)的氣體，為了防止壓力容器使用環(huán)節(jié)這些氣體泄露情況的發(fā)生，工作人員必須通過氣密性試驗(yàn)來檢驗(yàn)壓力容器泄露情況。但是，有些企業(yè)的員工受到自身專業(yè)水平有限的影響，并沒有真正重視氣密性試驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，從而造成氣密性不合格的壓力容器流入市場，這就對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)造成威脅，也對(duì)操作者的身體健康產(chǎn)生影響。

3.5 壓力容器的焊接問題

由于焊接質(zhì)量和焊接水平直徑影響壓力容器的整體質(zhì)量和工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在設(shè)計(jì)和制造中必須要重視焊接問題。為了能夠更加合理的判斷焊接所存才的問題，在對(duì)焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，需要嚴(yán)格按照規(guī)范要求來進(jìn)行。由于焊接材料的選擇，焊接過程中對(duì)溫度的把控很容易在操作過程中出現(xiàn)誤差，因此需要設(shè)計(jì)人員對(duì)焊接形式、焊接接頭、是否采用全焊透等作出相應(yīng)的要求。相關(guān)制造單位也應(yīng)該根據(jù)設(shè)備、材料等進(jìn)行對(duì)應(yīng)機(jī)關(guān)評(píng)定合格的焊評(píng)。焊接問題是壓力容器制造、使用過程中非常常見的問題，為保證容器安全穩(wěn)定運(yùn)行，一定要嚴(yán)格把控焊接的各個(gè)環(huán)節(jié)。

4 壓力容器設(shè)計(jì)過程中常見問題的防范策略

為滿足不同工藝要求，需要充分了解壓力容器使用環(huán)境、使用參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)而優(yōu)化壓力容器設(shè)計(jì)工作。

4.1 使用年限設(shè)計(jì)的防范策略

高度重視壓力容器使用年限設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)者需要立足于全局思考問題，認(rèn)真研讀TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》相關(guān)要求，這也是設(shè)計(jì)者需要貫徹落實(shí)的基本原則，每一張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙都需要將壓力容器設(shè)計(jì)使用年限標(biāo)注清楚。為提升壓力容器使用年限設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，相關(guān)人員必須充分考慮壓力容器的使用環(huán)境，將各類安全隱患的發(fā)生率控制在盡可能低的水平。結(jié)合設(shè)備使用材質(zhì)，做好壓力容器耐腐蝕性能、內(nèi)外壓力差等的測算工作，在此基礎(chǔ)上保障測算年限符合實(shí)際情況[4]。為進(jìn)一步提升使用壽命測算的可靠性，設(shè)計(jì)者還需要模擬最惡劣的使用環(huán)境。此外，還需要將一系列不當(dāng)操作因素考慮進(jìn)去。并在設(shè)計(jì)圖紙中設(shè)置安全提醒。

4.2 設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化材料及熱處理要求

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行接管設(shè)計(jì)時(shí)，壓力容器時(shí)，比如φ377mm×20mm碳鋼或低合金鋼接管。加工時(shí)可以選擇無縫鋼管，也可用碳鋼或低合金鋼板卷制而成。設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用后一種方法，很容易忽略設(shè)計(jì)規(guī)范中的成型后熱處理這一要求，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求，接管容易出現(xiàn)裂紋，進(jìn)一步影響整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)[5]。此外由于碳鋼及合金鋼板在冷卻后即可通過卷制來成型，由于不經(jīng)過熱處理操作，鋼鐵內(nèi)部微小晶粒歪扭、破損等的發(fā)生率較高，可塑性變差，為此，設(shè)計(jì)人員針對(duì)大厚度鋼板，冷卻加工之后須提出做結(jié)晶退火熱處理這一要求，從而增加鋼板硬度及可塑性，促進(jìn)壓力容器使用的安全性。

4.3 關(guān)于壓力容器設(shè)計(jì)材料變更的防范策略

設(shè)計(jì)人員結(jié)合工藝或者業(yè)主提出的壓力容器變更要求，切忌單純考慮材料減少增加的安全風(fēng)險(xiǎn)，還必須把材料增加帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)考慮充分。比如，管板和筒體連接結(jié)構(gòu)中，由于厚度增加所導(dǎo)致的焊接部分應(yīng)力變化的情況；封頭和筒體連接處，由于封頭加厚，對(duì)封頭進(jìn)行削邊處理的情況；鋼板加厚導(dǎo)致需用應(yīng)力下降，以后代薄以后強(qiáng)度計(jì)算不合格需要重新計(jì)算設(shè)計(jì)的情況[6]。

4.4 氣密性問題的解決策略

為保證氣密性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在此之前應(yīng)先保證液壓試驗(yàn)合格。操作人員需要選擇合適的氣體，比如空氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w充入到壓力容器中，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。值得注意的是，如果發(fā)現(xiàn)泄露需要對(duì)壓力容器進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，之后再次進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，直到不會(huì)產(chǎn)生泄露為止。

4.5 焊接接頭系數(shù)選取的解決策略

確定焊接接頭系數(shù)，一般需要充分考慮壓力容器鋼板的厚度、應(yīng)力腐蝕、盛裝介質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度等要素。為提升設(shè)備使用的安全性，設(shè)計(jì)者需要嚴(yán)格按照規(guī)范對(duì)焊接接頭系數(shù)進(jìn)行取值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于特殊設(shè)備，預(yù)防可能遇到的問題，并盡可能的規(guī)避焊接處理過程中的常見問題[7]。

5 結(jié)束語

綜上所述，開展壓力容器設(shè)計(jì)工作，必須高度重視設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)常見問題，結(jié)合具體設(shè)計(jì)要求強(qiáng)化各方面控制工作，以此達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，進(jìn)而保障壓力容器使用的安全性、可靠性，從而更好的服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)。